柔性多點模具在飛機蒙皮成形中的應(yīng)用研究

何曉健

摘 要：在蒙皮拉伸成形過程中，使用傳統(tǒng)專用模具存在生產(chǎn)周期長和模具數(shù)量多等缺點，而采用柔性多點模具拉伸成形可避免這些問題。介紹柔性多點模具成形的原理，分析柔性多點模具較傳統(tǒng)模具在蒙皮零件拉伸成形中的優(yōu)勢，分析蒙皮柔性多點成形的主要缺陷形式及解決方法，并介紹柔性多點成形技術(shù)在國內(nèi)外應(yīng)用的現(xiàn)狀。研究表明，運用柔性多點模具可有效縮短蒙皮生產(chǎn)周期，節(jié)約制造成本。

關(guān)鍵詞：柔性多點模具;蒙皮;拉伸成形;成形精度

引言

蒙皮是飛機氣動外形的關(guān)鍵構(gòu)成零件，具有外形復(fù)雜、尺寸大、種類多、批量小和成形精度要求高等特點。蒙皮零件的成形方式主要為拉伸成形，通過蒙拉機夾緊板料的鉗口與專用模具的相對運動使金屬板料產(chǎn)生塑性變形，進而得到蒙皮的最終外形。在傳統(tǒng)的蒙皮成形過程中，不同的蒙皮零件均需依照輪廓外形制造專用模具，模具的設(shè)計和制造耗費大量的人力、材料和時間等成本，加長了蒙皮零件的制造周期。柔性多點成形作為一種新型的鈑金成形技術(shù)，有效解決了這些問題。

1 ?柔性多點模具成形的原理

柔性多點成形技術(shù)的基本思路是將傳統(tǒng)的整體模具進行離散化，通過使用若干個規(guī)則排列、高度可調(diào)的沖頭組成曲面陣列，以實現(xiàn)板料快速成形的加工技術(shù)。模具中每個沖頭可獨立調(diào)節(jié)，通過改變沖頭的位置來改變成形的曲面形狀，由此構(gòu)造出一套新的成形模具。

2 ?柔性多點成形技術(shù)實施的可行性分析

2.1 節(jié)約蒙皮制造成本，縮短生產(chǎn)周期

傳統(tǒng)蒙皮拉伸成形需要準(zhǔn)備專用模具，模具庫存量多，制造成本巨大，且生產(chǎn)準(zhǔn)備時間較長。例如，某民用飛機機身桶段約由三十塊蒙皮組成，則這些蒙皮成形需要至少二十套左右的專用模具。而柔性多點模具可用于任意形狀蒙皮的成形，無需另配專用模具，因此省略了模具設(shè)計、制造及調(diào)試等環(huán)節(jié)，從而節(jié)約了大量的設(shè)計成本和制造成本，減少了蒙皮的生產(chǎn)準(zhǔn)備時間，大大縮短了生產(chǎn)周期。

2.2 實現(xiàn)大尺寸蒙皮零件的分段成形

柔性多點模具可實現(xiàn)分段成形。對于尺寸較大的蒙皮零件，可以采取分片、逐段的方法進行成形，實現(xiàn)小設(shè)備成形大零件。采用這種方法，柔性多點模具可成形大于設(shè)備型面數(shù)倍甚至是數(shù)十倍的大蒙皮零件，進一步縮減模具的制造成本，縮短生產(chǎn)準(zhǔn)備時間。同時，分段成形可避免局部塑性變形劇烈的情況，通過若干個小的、均勻的變形累積成整體變形，可有效改善成形質(zhì)量。

2.3 優(yōu)化蒙皮成形路徑，減少零件成形缺陷

柔性多點模具由若干規(guī)則排列的沖頭組成，通過調(diào)整沖頭位置的高低，可隨時控制所需曲面的狀態(tài)，按需調(diào)整蒙皮的受力狀態(tài)，優(yōu)化蒙皮成形的路徑，實現(xiàn)任意形狀蒙皮成形，擴大蒙皮零件的加工范圍，盡最大可能避免出現(xiàn)成形缺陷。

2.4 提高蒙皮成形精度

柔性多點模具可在成形加工過程中對蒙皮的成形狀態(tài)進行測量，測得回彈量后，可通過調(diào)整模具沖頭的位置進行補償，實現(xiàn)減小甚至消除回彈量。同時，可通過柔性多點模具進行反復(fù)成形，從而消除蒙皮零件內(nèi)部的殘余應(yīng)力，進而保證蒙皮零件的成形精度。

3 ?柔性多點模具成形的缺陷形式及解決方法

3.1 壓痕

壓痕是柔性多點模具成形特有的缺陷形式，也是主要缺陷形式，產(chǎn)生原因與彈性墊層的厚度和硬度、沖頭的曲率半徑大小以及成形板料的厚度息息相關(guān)。壓痕缺陷的解決方法：首先，可在沖頭和板料之間增加彈性墊層，并盡量保證彈性墊層的厚度和沖頭的曲率半徑大約一致。使用彈性墊層可有效分散沖頭和板料的接觸壓力，避免壓力集中作用在板料上，從而減輕壓痕。其次，可在允許的范圍內(nèi)適當(dāng)增大沖頭的曲率半徑，進而增大沖頭和板料的接觸面積，減小接觸部位壓強，也可有效減輕壓痕。

3.2 褶皺

褶皺也是蒙皮零件成形主要的缺陷形式之一，產(chǎn)生褶皺的主要原因是蒙皮在拉伸成形過程中受力不均勻，局部壓應(yīng)力過大，通常出現(xiàn)在型面不規(guī)則的地方。褶皺缺陷的解決方法：首先可采取變路徑的多點成形方式，即在拉伸成形過程中實時控制柔性多點模具的型面，調(diào)整蒙皮零件的受力狀態(tài)，盡可能使蒙皮各部位在成形時保持均勻變形，避免不均勻變形現(xiàn)象的發(fā)生，實現(xiàn)成形路徑的優(yōu)化，從而有效減少褶皺現(xiàn)象的發(fā)生。其次，合理采用分段成形的方式，實現(xiàn)變形過渡區(qū)域的曲率由已成形區(qū)域向未成形區(qū)域連續(xù)均勻地變化，從而實現(xiàn)各個成形區(qū)域之間的曲面平滑連接，進而避免褶皺缺陷。

4 ?柔性多點模具國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

4.1 國外發(fā)展現(xiàn)狀

1959年，日本東京大學(xué)研制了簡單的鋼絲捆工具，用金屬絲束生成了簡易的曲面模具。1961年，石川島播磨重工業(yè)株式會社研制出手動調(diào)節(jié)沖頭組成的壓力機，并對船體外板進行加工，但由于沖頭調(diào)整時間較長，生產(chǎn)效率不高，未能實際投產(chǎn)。1969年，日本的中島制造出第一個模具型面實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)的多點模具，可通過數(shù)控機床自動調(diào)節(jié)沖頭的高度。1980年，美國麻省理工學(xué)院提出柔性模具的概念。21世紀(jì)后，國外先進航空制造公司，如波音公司和空客公司等陸續(xù)引進柔性多點模具進行正式生產(chǎn)，效果良好。

4.2 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

1990年，吉林大學(xué)開展柔性多點模具的研究，提出了多點分段成形方法，研制出的模具現(xiàn)已應(yīng)用于高鐵零件的成形中。2004年，北京航空制造工程研究所就柔性多點成形模具進行了深入地研究，其研制出的柔性多點成形模具已正式進入了工程應(yīng)用階段，并成功地試制了飛機蒙皮零件。

5 ?結(jié)語

通過研究分析表明，柔性多點成形模具作為一種高效低耗的新型曲面成形設(shè)備，具有模具型面多樣、生產(chǎn)成本低、成形精度高、成形速度快等特點，集制造和檢測為一體，非常適合應(yīng)用于飛機蒙皮等大尺寸、高精度、小批量的大型鈑金類零件的成形。以柔性多點模具代替?zhèn)鹘y(tǒng)專用模具進行蒙皮零件的成形，可有效節(jié)約成本，縮短蒙皮的生產(chǎn)研制周期。因此，將柔性多點模具運用到航空鈑金成形制造中，必將擁有更為廣闊的發(fā)展前景。

參考文獻：

[1] 曾元松. 航空鈑金成形技術(shù)[M]. 北京：航空工業(yè)出版社，2014：280-318.

[2] 曾元松. 先進航空板材成形技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J]. 航空科學(xué)技術(shù)，2012（1）：1-4.